滑动条纹

几个简单的实验解开了理发店招牌柱幻觉背后的奥秘

早期格式塔心理学家——包括加州大学圣地亚哥分校的斯图尔特·安斯蒂斯和已故的汉斯·瓦拉赫——对他们所说的理发店招牌柱幻觉(a)很感兴趣。一个垂直圆柱体,表面涂有螺旋形的红色和白色条纹,使其绕长轴旋转。即使条纹实际上是水平移动的,绕着柱子转,它们看起来也是垂直移动的(沿着柱子向上或向下,取决于旋转方向)。

这个幻觉有力地证明了我们在本专栏中反复强调的观点——感知并不模仿物理。它涉及到大脑的解释——来自眼睛后部视网膜上的图像——来判断世界上正在发生什么。但是是什么导致了这种幻觉呢?

让我们考虑一个更简单的情况:一块涂有垂直条纹的卡片在圆形孔径(b)后面水平移动。这里示意性地显示了条纹卡片的外边缘,以清楚地说明孔径后面发生了什么。然而,当观看实际显示时,它们将不可见。您可以在家中制作这个简单的装置:从一大块纸板上切出一个圆形孔径,比如直径一到两英寸。然后使用第二张较小的纸板,上面有垂直条纹,红白相间,大约每英寸四到六条条纹。让别人沿着任何轴来回移动条纹卡片,同时您观察孔径内的条纹并判断它们的运动方向。


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如果条纹纸板水平移动,那么毫不奇怪,您会看到条纹水平移动。但是,如果条纹实际上以更快的速度对角移动,那么视网膜上的刺激将完全相同。事实上,存在一系列向量(即方向运动),它们的速度和方向各不相同,但都会在视网膜上产生相同的变化图像。这一系列向量在b中用不同长度的箭头表示,这些箭头代表速度和方向。然而,即使刺激本身是模糊的,您的感知却不是;您总是看到条纹垂直于其方向正交移动;这似乎是我们感知的默认设置,在其他条件相同的情况下。您不会看到条纹以更高的速度对角移动。大脑通过假设默认值来解决所谓的孔径问题。

盒子内部
现在让我们重新考虑像理发店招牌柱这样的刺激——也就是说,孔径是矩形且垂直的,而条纹是对角方向的(c)。当您使用这个新装置尝试相同的实验时,您可能会期望默认感知将是相同的——垂直于条纹方向的运动。但事实并非如此;您没有看到对角运动。相反,这些条纹总是看起来沿着孔径的长轴垂直移动(就像在理发店招牌柱中一样)。为什么?

一个原因可能是这种情况中存在一个额外的因素在起作用。请注意,即使条纹移动的方向(和速度)仍然是模糊的,但线条的尖端(或尖锐端点)沿着孔径(或圆柱体,在真正的理发店招牌柱的情况下)的长轴明确地向上移动。这些“终结者”的运动可能有助于消除运动方向的歧义;尖端“拖动”条纹朝一个向上方向移动,一些研究人员将这种效应称为“运动捕获”。这种现象解释了理发店招牌柱幻觉。您可以说,明确的运动尖端会提醒大脑,并指示整个条纹图案被视为沿着柱子的长度移动(c中的箭头),无论该柱子是水平的还是垂直的。

我们可以通过创建一个显示屏来挑战视觉系统,例如d,它由随机分散的一组垂直和水平孔径组成,所有孔径后面都有条纹对角移动。如果您专注于任何一个开口,您将看到水平或垂直移动的条纹,正如预期的那样。但是,稍加努力,您可以让自己将整个显示屏视为一个“整体”。在这种情况下,您将整体感知为一个大型对角移动的条纹组,透过一张巨大的不透明卡片看到,该卡片上随机位置切出了水平和垂直孔径。您的视觉系统“认为”这种感知比独立的理发店招牌柱以这种方式精确地散布在世界各地,被一些疯狂的火星人有意混淆您的情况更经济的描述。您对看到独立的理发店招牌柱的免疫力意味着,一些相当复杂的图像分割规则(包括水平和垂直窗口后面条纹表面的“完成”)必须连接到视觉系统中。

约束条件相交之处
或者再举一个例子。在e中,您将倾向于看到向上和向右 45 度的运动,在f中,您将倾向于看到向下和向右 45 度的运动,如箭头所示。

现在,如果您将两者叠加起来会怎么样?您是否看到它们以直角相互滑动过去?答案是否定的;您看到格子水平移动(g中的箭头所示)。感知研究人员,麻省理工学院的爱德华·H·阿德尔森和纽约大学的 J·安东尼·莫夫森做了一些巧妙的实验来表明,与朴素的直觉相反,这种效应并非简单地通过平均两条条纹的向量来实现的。它之所以发生,是因为他们称为“约束条件交汇”的原理。每个光栅的运动都与一系列向量兼容,并且重叠区域——两个系列重叠的地方——被认为是“真实”的运动方向。有趣的是,大脑区域(包括一个名为 MT 的区域)中对运动敏感的细胞在运动处理的视觉层级的早期阶段对每个光栅的方向分别做出反应(“组件运动”),而更高层次的细胞则对格子的整体方向做出反应(“格子运动”)。这似乎就像细胞通过部署约束条件交汇算法来整合组件敏感细胞的输出。

除了约束条件交汇之外,还有另一种模型。请注意,在g中,即使组件条纹的运动是模糊的,但线条之间的交点也在明确地水平移动。这些交叉点可能会“捕获”并水平拖动光栅(类似于垂直孔径或理发店招牌柱中尖锐尖端的作用)。

目前,没有令人信服的理由选择一种模型而不是另一种模型;前者(约束条件交汇)在数学上更优雅,可能对宇宙学家有吸引力,而后者(“凌乱的捷径”)可能对生物学家有吸引力。

最初的理发店招牌柱图案据说是为了描绘血液和绷带,可以追溯到理发师也是外科医生的时代。他们几乎没有意识到,这种幻觉可以为人类运动感知提供如此敏锐的见解。

(延伸阅读)

  • 移动视觉模式的现象学一致性。《自然》杂志,E. H. Adelson 和 J. A. Movshon 合著,第 300 卷,第 523–525 页;1982 年。

  • 人类运动感知中的透明度和一致性。《自然》杂志,G. R. Stoner、T. D. Albright 和 V.S. Ramachandran 合著,第 344 卷,第 153–155 页;1990 年 3 月 8 日。

SA Mind 第 19 卷第 3 期本文最初以“幻觉:滑动条纹”为标题发表于SA Mind》第 19 卷第 3 期 (), p. 18
doi:10.1038/scientificamericanmind0608-18
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